KR20080081082A - Reliability of vias and diagnosis by e-beam probing - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자 장치들의 테스팅에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 장치내의 네트가 불량의 소스인지를 판단하기 위해 상기 네트를 모니터링하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to testing of electronic devices. In particular, the present invention relates to monitoring the net to determine if the net in the device is a source of failure.
전자 장치에 사용되는 칩의 복잡성 및 패키징의 증가로 인하여 빠른 속도로 장치의 기하학적 크기가 감소되고 있다. 현재, 전자 장치들에서의 기하학적 크기는 0.18 ㎛로부터 0.13 ㎛ 로 작은 쪽으로 이동하고 있다. 장치의 기하학적 크기가 더 작아지는 경향은 미래에도 계속될 것으로 예상되고 있다. 장치의 기학학적 크기가 증가함에 따라, 테스팅 장치 및 디버깅 장치와 연관된 문제점들은 계속해서 더욱 더 해결하기가 어렵게 된다.Due to the increased complexity and packaging of chips used in electronic devices, the geometric size of the devices is rapidly decreasing. Currently, the geometric size in electronic devices is moving from 0.18 μm to 0.13 μm as small. The trend towards smaller geometrical dimensions of the device is expected to continue in the future. As the geometry of the device increases, the problems associated with the testing device and the debugging device continue to be more and more difficult to solve.
이러한 작은 기하학적 크기를 테스팅하는 어려움들 중 일부를 제거하기 위하여, 설계자들은 장치를 제조하기 이전에 설계 문제점들을 제거하기 위하여 시뮬레이션 및 설계 검사 소프트웨어를 광범위하게 이용한다. 시뮬레이션 및 검사 소프트웨어가 제조 이전의 일부 설계의 문제점들을 식별하지만, 많은 설계들은 길이, 비용, 디버그 측면들을 먼저 고려하지 않고서는 전체 명세를 통하여 충분히 동작가능한 부분들을 산출할 수 없다. 또한, 설계 문제점들 모두가 제조 이전에 식별되어 교정되더라도, 결함들이 제조 공정동안에 상기 장치로 유입될 수 있다.To eliminate some of the difficulties of testing these small geometric sizes, designers make extensive use of simulation and design inspection software to eliminate design problems before fabricating the device. While simulation and inspection software identify some pre-fabrication problems, many designs cannot produce fully operational parts through the entire specification without first considering length, cost, and debug aspects. In addition, even if all of the design problems are identified and corrected prior to manufacture, defects can enter the device during the manufacturing process.
테스팅 및 디버깅 공정 동안에, 장치의 내부 네트들에 대한 프로빙 장치는 점점 유용한 수단이 된다. 장치의 내부 네트들의 프로빙은 적절히 수행되지 않는 장치 내부의 부분들을 식별하고 격리하는 데 도움을 준다. 내부 네트들에 액세스하는데 사용되는 하나의 기술은 장치를 설계하는 동안에 일부 "중요한" 내부 네트들상의 패드들을 포함으로써, 테스팅 및 디버깅 동안에 이러한 네트들에 액세스하는 것이다. 그러나, 대다수의 내부 네트들은 패드를 가지지 않으므로, 이러한 네트들에 직접 액세스할 수 없다.During the testing and debugging process, probing devices for the device's internal nets become increasingly useful. Probing of the device's internal nets helps to identify and isolate parts inside the device that are not performing properly. One technique used to access internal nets is to include pads on some "important" internal nets during device design, thereby accessing these nets during testing and debugging. However, the majority of internal nets do not have pads and therefore cannot directly access these nets.
패키징 밀도 및 칩 복잡성은 상기 장치내의 공간 제약들에 의해 장치 설계자가 내부 네트들상에 패드들을 배치하는 것을 제한한다. 특히, 이는 게이트 어레이와 같은 VLSI (very large scale integrated circuit), FPGA (field programmable gate array), 및 혼합 신호 집적 회로와 같은 ASIC (application specific integrated circuit) 에 있어서 그러하다. 장치의 내부 네트들 모두에 직접 액세스하지 못 하면 테스트 및 디버그 처리가 복잡하게 된다.Packaging density and chip complexity limit the device designer's placement of pads on internal nets due to space constraints within the device. In particular, this is true for very large scale integrated circuits (VLSIs) such as gate arrays, field programmable gate arrays (FPGAs), and application specific integrated circuits (ASICs) such as mixed signal integrated circuits. Lack of direct access to all of the device's internal nets complicates test and debug processing.
장치 레이아웃의 어떤 특성들은 테스팅 및 디버깅의 복잡성을 더 증가시킨다. 예를 들어, 트렌치 (trench) 또는 비어 (via) 의 하부에서, 제조 결함과 같은 결합을 검출하기가 매우 어렵다. 통상, 트렌치 또는 비어의 하부에서의 결함 검출은 전자 현미경들과 같은 수단을 이용한 장치의 불량 분석을 필요로 한 다. 또한, 간헐적인 불량들과 관련된 스트레스 등의 간헐적인 불량들은 특히 이들의 비반복적인 성질에 의해 찾아내기가 어렵다.Certain features of the device layout further increase the complexity of testing and debugging. For example, at the bottom of a trench or via, it is very difficult to detect a bond, such as a manufacturing defect. Typically, defect detection at the bottom of trenches or vias requires failure analysis of the device using means such as electron microscopes. In addition, intermittent defects such as stress associated with intermittent defects are particularly difficult to find due to their non-repetitive nature.
전자 장치들을 테스팅 및 디버깅하는데 몇몇 기술들이 수반된다. 이러한 기술들 중 일부는 기능적 테스팅, 번-인 (burn-in) 테스팅, 및 결함 검출을 포함한다.Several techniques are involved in testing and debugging electronic devices. Some of these techniques include functional testing, burn-in testing, and defect detection.
통상적으로, 기능적 테스팅은 전자 장치의 적절한 동작을 검증하는데 사용된다. 예를 들어, IC 는 IC 제조 공정의 완료 이후에 기능적으로 테스팅될 수 있다. 테스트 리드들, 즉 프로브들을 IC 의 입/출력(I/O) 핀들에 접속한다. 테스트 탐침들을 IC 의 입력 핀들에 인가하고, IC 의 출력 핀들을 모니터하여, 예상하였던 신호들이 생성되는지를 판단한다. 통상, 기능 테스트는 정상 환경 조건하에서 수행되므로, 테스트중인 장치는 임의 타입의 외부 스트레스, 예를 들어 높은 온도와 같은 환경 스트레스에 노출되지 않는다.Typically, functional testing is used to verify proper operation of the electronic device. For example, the IC can be functionally tested after completion of the IC manufacturing process. Test leads, or probes, are connected to the input / output (I / O) pins of the IC. Test probes are applied to the input pins of the IC and the output pins of the IC are monitored to determine if the expected signals are produced. Typically, the functional test is performed under normal environmental conditions, so that the device under test is not exposed to any type of external stress, for example environmental stress such as high temperature.
전자 장치들을 테스팅 및 디버깅하는데 사용되는 또 다른 기술은 번-인 테스트이다. 통상, 장치의 번-인 테스트는 전력이 인가된 장치의 주변 온도를 상승시키는 동작을 수반한다. 번-인 테스트는, 장치내의 모든 네트들을 포함하여, 전체 장치에 스트레스를 준다. 장치가 테스트되는 환경 때문에, 장치의 응축과 같은 환경 요인들로 인하여 장치의 내부 네트들을 노출시키기 위해 장치를 캡슐화하지 않는 것은 실용적이지 않다. 또한, 장치를 캡슐화하지 않아 장치의 내부 네트들에 액세스할 수 있더라도, 전체 장치와 모든 네트들이 동일하게 스트레싱 되지 않으므로, 번-인 테스트를 통하여 개별 네트의 불량을 식별하는데 어려움이 있 다.Another technique used to test and debug electronic devices is burn-in testing. Typically, a burn-in test of a device involves the operation of raising the ambient temperature of the powered device. The burn-in test stresses the entire device, including all nets in the device. Because of the environment under which the device is tested, it is not practical to not encapsulate the device to expose the internal nets of the device due to environmental factors such as condensation of the device. In addition, even if the device's internal nets are not encapsulated to access the device's internal nets, the entire device and all nets are not stressed the same, which makes it difficult to identify individual net defects through burn-in tests.
세 번째 기술인, 결함 검출 기술은 장치의 내부 네트들을 프로빙할 뿐만 아니라 장치의 I/O 핀들을 모니터한다. 통상, 장치의 내부 네트들을 프로빙하는 동작은 장치를 캡슐화하지 않게 하여 내부 네트들에 액세스할 수 있도록 요구한다. 장치가 캡슐화되지 않으면, 캡슐화되지 않은 장치의 환경 스트레싱은 비실용적일 수 있다.The third technique, fault detection technology, probes the device's internal nets as well as monitors the device's I / O pins. Typically, probing the internal nets of the device requires accessing the internal nets without encapsulating the device. If the device is not encapsulated, environmental stressing of the unencapsulated device can be impractical.
내부 네트들을 프로빙하는데 사용되는 하나의 기술은 기계적 프로브들을 이용한다. 기계적 프로브들을 정렬하여 물리적으로 장치의 내부 네트에 접촉시킨다. 기계적 프로브들을 사용하는데 있어 하나의 단점은 테스트될 전기 회로의 네트에 로드를 줄 수 있다는 점이다. 예를 들어, 기계적 프로브들은 회로의 커패시턴스를 증가시키므로, 상기 회로가 기계적 프로브들의 부가적인 로드없이 테스트될 수 있다는 점으로부터 회로의 측정 성능을 왜곡시킬 수 있다.One technique used to probe inner nets uses mechanical probes. Mechanical probes are aligned to physically contact the internal net of the device. One disadvantage of using mechanical probes is that they can load the net of the electrical circuit to be tested. For example, mechanical probes increase the capacitance of the circuit, which can distort the measurement performance of the circuit in that the circuit can be tested without the additional load of mechanical probes.
테스트중인 장치 회로의 로드를 제거하기 위해 개발된 기술은 e-빔 (electronic-beam) 프로브이다. 최근에 개발된 e-빔 프로브 툴 및 기술은, 디버깅 및 다른 목적들을 위하여 전자 장치들의 내부 노드들을 프로빙하는데 수반되는 문제점들의 일부를 극복하는데 크게 도움을 주고 있다.The technology developed to remove the load on the device circuit under test is an e-beam probe. Recently developed e-beam probe tools and techniques have greatly helped to overcome some of the problems involved in probing internal nodes of electronic devices for debugging and other purposes.
e-빔 프로빙은 SEM (scanning electron microscope)의 전압 대조의 원리를 이용한다. 종래의 SEM 영상은, 신호들이 장치에 인가될 때, 테스트중인 장치에 대하여 미세하게 집중된 1 차 전자들의 빔을 래스터 스캐닝함으로써 생성된다. 2 차 전자들은 1 차 빔이 테스트중인 장치로부터 반사될 때 생성된다. 상기 장 치로부터 반사된 2 차 전자들을 측정하고, 신틸레이터, PMT (photo-multiplier tube) 및 관련 전자장치들을 이용하여, 테스트중인 장치의 네트들의 영상을 생성한다. 테스트중인 장치에 의해 생성된 2 차 전자들의 에너지는, 장치내의 도체들 즉, 네트들의 표면상의 전기적 퍼텐셜의 변화에 기인한다. 신틸레이터의 표면에 충돌하는 2 차 전자들은 2 차 전자들의 에너지에 비례하는 복수의 광자들을 생성하고, 그 광자들은 신틸레이터로부터 방출되어 PMT 의 표면과 충돌한다. PMT 는 그 표면에 충돌하는 복수의 광자들에 비례하는 전압을 출력한다. PMT 로부터의 전압은 관련 전자장치들에 의해 증폭되어, 장치내의 도체들 및 네트들의 표면상의 전기적 퍼텐셜에 대응하는 영상을 생성하는데 사용된다. 이런식으로, e-빔 기술은 노드 전압들을 표시한다.E-beam probing uses the principle of voltage contrast of a scanning electron microscope (SEM). Conventional SEM images are generated by raster scanning a beam of finely concentrated primary electrons with respect to the device under test when signals are applied to the device. Secondary electrons are generated when the primary beam is reflected from the device under test. The secondary electrons reflected from the device are measured and an image of the nets of the device under test is generated using a scintillator, a photo-multiplier tube (PMT) and related electronics. The energy of the secondary electrons generated by the device under test is due to the change in electrical potential on the surface of the conductors, ie the nets, in the device. Secondary electrons impinging on the surface of the scintillator produce a plurality of photons proportional to the energy of the secondary electrons, which photons are emitted from the scintillator and collide with the surface of the PMT. The PMT outputs a voltage proportional to the plurality of photons impinging on its surface. The voltage from the PMT is amplified by the associated electronics and used to generate an image corresponding to the electrical potential on the surface of the conductors and nets in the device. In this way, e-beam technology displays node voltages.
예를 들어, 양의 전압들은 낮은 2 차 전자 카운트에 대응하여 영상에서 어두운 영역들로 나타날 수 있다. 제로 즉, 음의 전압들은, 더 높은 2 차 전자 카운트에 대응하여 영상에서 밝은 영역들로 나타날 수 있다.For example, positive voltages may appear as dark areas in the image in response to a low secondary electron count. Zero, that is, negative voltages may appear as bright areas in the image in response to a higher secondary electron count.
e-빔 프로빙은 기계적 프로빙과 같은 다른 프로빙 기술들에 비하여 몇몇 이점을 제공한다. 통상, e-빔 프로브는 모니터링되는 전기 회로와 상호작용하지 않거나 로드를 준다는 점에서 수동형이다. 이와 대조적으로, 상술한 바와 같이, 기계적 프로브들은 테스트중인 회로에 로드를 주어, 측정을 부정확하게 만든다.e-beam probing offers several advantages over other probing techniques, such as mechanical probing. Typically, e-beam probes are passive in that they do not interact or load with the monitored electrical circuits. In contrast, as described above, mechanical probes put a load on the circuit under test, making the measurement inaccurate.
장치의 동작에 영향을 주거나 불량 소스가 될 수 있는 특정 네트들을 식별하지 않고, 전자 장치의 내부 네트들의 동작을 모니터하는 효과적인 방법이 요구된다.What is needed is an effective way to monitor the operation of internal nets of an electronic device without identifying specific nets that may affect the operation of the device or may be a bad source.
IC 의 출력이 IC 불량을 나타내는 IC 에서 불량 네트를 식별하는 방법은, 불량을 나타내는 네트에 의해 생성된 신호를 관찰함으로써 잠재적인 불량 네트를 결정하는 단계, 다른 IC 네트들에 영향을 주지 않으면서 상기 잠재적인 불량 네트를 스트레싱하는 단계, 및 상기 스트레스에 응답하여 상기 잠재적인 불량 네트에 의해 생성된 신호의 변화를 관찰하여 상기 잠재적인 불량 네트를 상기 IC 의 불량 네트로서 식별하는 단계를 포함한다. A method of identifying a defective net in an IC where the output of the IC indicates an IC failure comprises determining a potential defective net by observing a signal generated by the defective net, wherein the IC does not affect other IC nets. Stressing a potential bad net, and observing a change in the signal generated by the potential bad net in response to the stress to identify the potential bad net as a bad net of the IC.
장치 즉, IC 내의 네트를 스트레싱하는 단계는, 상기 네트에 외부 스트레스 소스를 정렬하는 단계, 다른 장치 네트들에 영향을 주지 않으면서 상기 네트에 스트레스를 인가하는 단계, 및 네트가 스트레싱되는 동안에 네트가 불량인지를 결정하기 위하여, 스트레스가 인가되는 동안에, 상기 네트를 모니터링하는 단계를 포함할 수 있다.Stretching a net in a device, i.e. an IC, includes: aligning an external stress source with the net, applying stress to the net without affecting other device nets, and while the net is stressed. Monitoring the net while stress is applied to determine if the net is bad.
장치 즉, IC 내의 네트를 국부적으로 스트레싱하는 단계는, 장치 내의 불량으로 의심되는 네트에 e-빔 프로브를 정렬시키는 단계를 포함할 수 있다. 일단 e-빔 프로브가 상기 불량으로 의심되는 네트와 정렬되면, e-빔내의 전류를 증가시 켜 상기 불량으로 의심되는 네트 부근의 장치에 국부적으로 스트레스를 인가한다.Locally stretching the net in the device, i.e., the IC, may include aligning the e-beam probe with the suspected net in the device. Once the e-beam probe is aligned with the suspected net, the current in the e-beam is increased to locally stress the device near the suspected net.
장치의 동작에 영향을 주거나 불량 소스가 될 수 있는 특정 네트들을 식별하지 않고, 전자 장치의 내부 네트들의 동작을 모니터할 수 있는 효과적인 방법이 제공된다.An effective method is provided for monitoring the operation of internal nets of an electronic device without identifying specific nets that may affect the operation of the device or may be a bad source.
본 발명의 다른 특징 및 이점을 본 발명의 원리들을 실시예를 통해 나타내는 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 이해할 수 있다.Other features and advantages of the invention can be understood from the detailed description of the preferred embodiment, which shows, by way of example, the principles of the invention.
VLSI (very large scale integration) 칩과 같은 통상의 IC (integrated circuit) 전자 장치에 있어서, 장치 내부에 많은 상호 접속부들 및 비어들이 존재한다. 기계적 프로브에 의해 IC 의 내부 접속부들 및 비어들의 대다수에 직접 액세스할 수 없다. 테스트 신호에 의해 장치를 테스트하면서 IC 의 네트들을 모니터링하지 않고 특정 네트의 불량을 식별하는 것은 실용적이지 않다. 장치의 불량 분석의 초기 단계는 불량의 위치를 결정하는 것이다. 상술된 바와 같이, 내부 네트들을 프로빙해야 한다. 기계적 프로브들은 모니터링될 전기 회로에 로드를 줄 수 있으므로, 부정확하게 측정하거나 비반복적으로 측정할 수 있다. 따라서, 장치의 내부 네트들을 모니터링하기 위한 비접촉적이며 반복가능한 측정 기술이 요구된다.In conventional integrated circuit (IC) electronic devices, such as very large scale integration (VLSI) chips, there are many interconnects and vias inside the device. The mechanical probe does not provide direct access to the majority of the internal connections and vias of the IC. It is not practical to identify a fault in a particular net without monitoring the nets of the IC while testing the device by the test signal. The initial step in the failure analysis of the device is to determine the location of the failure. As mentioned above, internal nets must be probed. Mechanical probes can impose a load on the electrical circuit to be monitored, making inaccurate or non-repetitive measurements. Thus, there is a need for a contactless and repeatable measurement technique for monitoring the internal nets of a device.
장치의 내부 네트들을 모니터링하기 위한 비접촉적이며 반복가능한 측정 유닛의 한 종류는 e-빔 (electronic-beam) 프로브이다. 통상, e-빔 프로브는 장 치내의 소망의 네트에 e-빔을 부정확하게 정렬시키는 포지셔닝 장치에 설치된다. 만일 포지셔닝 장치 제어기가 장치 레이아웃 데이터베이스에 액세스하는 경우에, 포지셔닝 장치는 미리 식별된 네트들을 장치내에 자동적으로 배치시킬 수 있다. 통상, e-빔의 양호한 정렬은, 아래에 기술된 바와 같이, 초점 코일들, 또는 대물 렌즈에 의해 달성된다.One kind of contactless and repeatable measurement unit for monitoring the internal nets of the device is an electronic-beam probe. Typically, the e-beam probe is installed in a positioning device that incorrectly aligns the e-beam with the desired net in the device. If the positioning device controller accesses the device layout database, the positioning device may automatically place pre-identified nets in the device. Normally, good alignment of the e-beam is achieved by focusing coils, or objective lenses, as described below.
또한 내부 네트를 모니터링하면, 장치에 국부적으로 스트레스를, 예를 들어 테스트중인 장치의 하나의 네트에만 스트레스를 인가하는 것이 바람직하다. 다른 네트들에 영향을 주지 않고 단지 소망의 네트만을 스트레싱함으로써, 장치의 불량 모드를 분리하여 식별할 수 있다. 예를 들어, 개별 네트가 온도에 의존하는 불량을 가지는 경우에, 개별 네트를 스트레싱함으로써, 스트레싱된 네트가 불량의 소스인지를 확실하게 결정할 수 있다.In addition, when monitoring the internal net, it is desirable to apply local stress to the device, for example only one net of the device under test. By straining only the desired net without affecting other nets, the failure mode of the device can be identified and identified. For example, in the case where individual nets have defects that depend on temperature, by stretching individual nets, it is possible to reliably determine whether the stretched nets are a source of failure.
도 1 은 본 발명에 따른 특성들을 나타내는 테스트중인 장치 (102) 의 일부 및 테스트 장치에 대한 다이어그램이다. 복수의 내부 네트 및 비어를 도시하면서 테스트 중인 장치 (102) 의 일부를 나타낸다. 아래에 기술된 바와 같이, 네트들 중 하나를 잠재적인 불량 네트 (104) 로서 식별하였고, 다른 즉, 나머지 네트 (106) 들은 만족스럽게 동작하는 것으로 간주하였다. 테스트 자극들을 테스트 중인 장치 (102) 의 I/O 핀들에 인가하면, 이에 따라서 네트들 (104, 106) 상의 신호들이 변화한다.1 is a diagram of a portion of a
일 실시예에서, 잠재적인 불량 네트 (104) 상의 신호들을 비접촉식 측정장치 (110) 예를 들어, e-빔 프로브를 이용하여 모니터링한다. 또한, 스트레스 소스 (112) 를 불량 네트 (114) 에 정렬시킨다. 스트레스 소스는 예를 들어 온도, 전류, 또는 전압 등의 스트레스 소스를 인가하도록 구성되어 있다.In one embodiment, the signals on the potentially
또 다른 실시예에서, 스트레스 소스는 스트레스를 인가하기 위하여 전기 회로에 대한 임의이 로드를 최소화시키도록 구성되는 기계적 프로브들을 사용한다. 또 다른 실시예에서, 스트레스 소스는 스트레스를 인가하기 위하여 e-빔 또는 레이저 광 등의 비접촉식 프로브들 사용한다.In another embodiment, the stress source uses mechanical probes configured to minimize any load on the electrical circuit to apply stress. In another embodiment, the stress source uses contactless probes such as e-beam or laser light to apply stress.
또 다른 실시예에서, 스트레스 소스 (112) 및 비접촉식 측정 장치 (110) 는 예를 들어 잠재적인 불량 네트들을 모니터할 뿐만 아니라 스트레스를 인가하도록 구성되는 단일 e-빔 프로브와 동일한 유닛이다. 예를 들어, e-빔 프로브로부터의 1 차 빔의 전류 밀도는 네트를 모니터하는데 사용되는 약 1nAmp 의 정규값으로부터 스트레스를 인가하는데 사용되는 약 50 nAmps의 값으로 증가될 수 있다. 종래에 e-빔 프로브를 사용하는 것과는 대조적으로, e-빔 프로브 내의 전류 밀도를 증가시키는 경우에, 프로브는 더 이상 수동 모니터링 장치가 아니다. 대신에, e-빔 프로브는 네트로부터 반사된 2 차 신호를 모니터링하는 동시에 네트에 국부적으로 스트레스를 인가함으로써 네트와 활발하게 상호작용한다. 이러한 모든 실시예들에서, 네트를 테스트 입력에 의해 실행하여 모니터링하면서 잠재적인 단일 불량 네트에 스트레스를 인가한다.In another embodiment, the
본 발명에 따르면, 다양한 백-트레이스 기술들을 잠재적인 불량 네트를 식별하는데 사용할 수 있다. 백-트레이스 기술은 예를 들어 장치의 출력에서 기능 테스트 동안에 발견된 불량 즉, 식별된 불량을 가지는 장치의 위치에서 개시되는 네트들의 조직적인 테스트이다. 예를 들어, 전기 회로의 일부의 출력 노드에서 불량을 검출한 후, 그 전기 회로의 일부의 입력 네트들을 테스트한다. 전기 회로의 일부의 모든 입력 네트들을 "양호"하다고 테스트한 후, 전기 회로의 그 일부에서 식별된 불량을 분리한다. 전기 회로의 일부에서 하나 이상의 입력 네트들이 불량으로 식별되면, 불량 입력 네트의 소스인 전기 회로를 다시 테스트한다. 전기 회로의 불량 부분이 분리될 때 까지 테스트를 계속한다.In accordance with the present invention, various back-trace techniques can be used to identify potential rogue nets. The back-trace technique is, for example, a systematic test of nets starting at the location of a device having a failure found during a functional test at the output of the device, ie the identified failure. For example, after detecting a failure at an output node of a portion of the electrical circuit, the input nets of the portion of the electrical circuit are tested. After all input nets of a portion of the electrical circuit have been tested as "good", the defect identified in that portion of the electrical circuit is isolated. If one or more input nets are identified as bad in part of the electrical circuit, the electrical circuit that is the source of the bad input net is retested. Continue testing until the defective part of the electrical circuit is separated.
도 2 는 네트를 식별하기 위해 적용되는 백-트레이스 기술을 나타내는, IC 장치 (200) 의 예시적인 회로에 대한 개략도이다. IC 내의 불안정한 디지털 회로를 나타내기 위하여, 예를 들어 신호가 혼합된 VLSI 장치를 기술한다. 도 2 에서, 네트 (204) 상에 측정되어 레지스터 (202) 에 의해 출력된 디지털 값이 회로 불량을 나타낸다. 불량이 레지스터 (202) 또는 네트 (204) 에 있는 지를 판단하기 위하여, 레지스터 (202) 의 입력 신호들 및 네트들 (206, 208, 210, 212, 및 214) 을 모니터한다. 이 예에 있어서, 네트 (214) 는 불량을 가지지만, 네트들 (206, 208, 210, 및 212) 은 만족스럽게 테스트된다. 네트 (206) 가 만족스럽게 테스트 되기 때문에, 네트 (206) 에 제공되는 회로 장치 (220) 및 회로 장치 (220) 에 제공되는 네트들을 추가적으로 테스트하지는 않는다. 회로 장치 (222) 에 제공되는 네트들을 테스트하여 회로 장치 (22) 에 제공되는 네트에 불량이 있는지 또는 회로 장치 (222) 가 불량을 발생시키는 지를 판단한다.2 is a schematic diagram of an exemplary circuit of an
회로 장치 (222) 의 입력들은 네트들 (230, 232, 234, 및 236) 이다. 이 예에서, 네트들 (230, 232, 및 234) 은 성공적으로 테스트되고 네트 (236) 는 불량 이 된다. 네트들 (230, 232, 및 234) 이 성공적으로 테스트 되었기 때문에, 이러한 네트들에 제공되는 회로에 대하여 부가적으로 테스트하지는 않는다. 네트 (236) 가 불량이므로, 회로 장치 (240) 에 제공되는 네트들을 테스트하여, 회로 장치 (240) 에 제공되는 네트들에 불량이 있는지 또는 회로 장치 (240) 가 불량을 발생시키는 지를 판단한다.Inputs of
회로 장치 (240) 의 입력들은 네트들 (250, 252, 및 254) 을 포함한다. 이 예에서, 네트들 (250, 252, 및 254) 은 성공적으로 테스트된다. 따라서, 백-트레이스 테스트는 회로 장치 (240) 또는 네트 (236) 중 어느 하나에 있는 불량을 분리한다. 회로 장치 (240) 가 불량인지 또는 네트 (236) 가 불량인지를 판단하기 위하여, IC 장치 (200) 내의 회로 장치 (240) 또는 어떤 다른 회로 장치들 즉, 네트들을 스트레싱하지 않고, 네트 (236) 를 국부적으로 스트레싱하는 부가적인 테스트를 수행한다. 네트 (236) 를 스트레싱함으로써, 개별 네트 (236) 에 대한 불량을 분리할 수 있다.Inputs of
상술한 바와 같이, VLSI 장치들의 비어 구조들의 신뢰성은 반도체 장치들의 제조시에 있어 주요 관심사이다. 특히, 알루미늄 합금 상호접속 시스템의 텅스텐 비어 구조들에는 고 레벨의 불량이 발생할 수 있다. 상술한 바와 같이, 비어 결함들의 불량 분석은 계속해서 요청되고 있다. 다음으로, 혼합 신호 VLSI 장치에서 간헐적인 불량을 발생시키는 불안정한 디지털 회로에서 수행되는 불량 분석에 관하여 본 발명의 특징들을 설명한다. 이 장치에 대한 불량 분석에 의해, 비어 구조가 텅스텐 플러그와 하층의 AlCu 합금과의 인터페이스에서 Ti/TiN 점착층 아래의 보이드 및 이상 (anomalous) 박층을 함유함을 알 수 있다.As mentioned above, the reliability of the via structures of VLSI devices is a major concern in the manufacture of semiconductor devices. In particular, high levels of failure can occur in tungsten via structures in aluminum alloy interconnect systems. As mentioned above, failure analysis of via defects continues to be requested. Next, features of the present invention will be described with respect to failure analysis performed on an unstable digital circuit that generates intermittent failure in a mixed signal VLSI device. The failure analysis for this device shows that the via structure contains a void and an anomalous thin layer under the Ti / TiN adhesion layer at the interface of the tungsten plug and the underlying AlCu alloy.
불안정한 디지털 회로는 디지탈 및 아날로그 회로를 포함하는 혼합 신호 장치의 일부이다. 상기 장치는 웨이퍼 프로빙과 최종 테스트를 통과한 후에 필드에 탑재되어 있다. 그 필드에서, 장치는 간헐적인 불량들을 나타내었다. 상기 장치를 필드로부터 리턴시키고, 종래의 불량 분석을 수행하였다. 불량 모드를 분석하는데 성공하지 못한채 다수의 수동 프로빙 기술들을 사용하였다. 상술한 바와 같이, 기계적 프로빙이 가진 문제점은 기계적 프로브가 테스트 중인 전기 장치에 로드를 준다는 것이다. 테스트중인 회로에 로드를 주면 부적절하고, 신뢰적이지 않은 테스트 결과들이 생성된다. 기계적 프로브들에 의해 생성된 로드를 제거하기 위하여, 본 발명에 따른 e-빔 프로브를 이용한 비접촉 기술이 장치의 불량 분석을 수행하도록 구현되어 있다.Unstable digital circuitry is part of a mixed signal device that includes digital and analog circuitry. The device is mounted on the field after passing wafer probing and final testing. In that field, the device exhibited intermittent failures. The device was returned from the field and conventional failure analysis was performed. Many manual probing techniques were used with no success in analyzing failure modes. As mentioned above, a problem with mechanical probing is that the mechanical probe puts a load on the electrical device under test. Loading the circuit under test produces inadequate and unreliable test results. In order to remove the load produced by the mechanical probes, a non-contact technique using an e-beam probe according to the invention has been implemented to perform a failure analysis of the device.
도 3 은 본 발명에 따라 사용되는 테스트 스테이션 (300) 의 블록도이다. 테스트 스테이션은 schlumberger IDS10000plus 와 같은 e-빔 프로브 유닛 (302) 을 포함한다. 테스트 스테이션은 테스트 장비를 제어하기 위해 테스트 오퍼레이터에 의해 사용되는 워크스테이션 (303) 을 포함할 뿐만 아니라 상기 오퍼레이터에게 그 테스트 결과들을 시각적으로 디스플레이한다. 3 is a block diagram of a
e-빔 프로브 유닛 (302) 은 테스트 중인 장치를 홀드하는 로드 모듈 (304) 을 포함하며, 상기 장치의 I/O 핀들에 전기적으로 접속된다. 테스트중인 장치가 로드 모듈 (304) 에 설치된 이후에, 로드 모듈 (304) 은 견본실 뚜껑 (306) 에 고정된다. 테스트중인 장치를 로드 모듈 (304) 에 설치하기 이전에, 상기 장치 에서 그 캡슐화 부분의 상부 부분을 제거한다. 이는 내부 네트들을 포함하여 장치의 내부 구조를 노출시킨다. 로드 모듈 (304) 이 견본실 (306) 에 고정되는 경우에, 테스트중인 장치는, 견본실 (308) 로 향하는 노출된 내부 구조에 대하여, 아래로 향하도록 배치된다.The
견본실 (308) 의 하부에는, 2 개의 이온 펌프들 (310, 312) 이 있다. 이온 펌프들 (310, 312) 은 견본실 내부를 진공 상태로 만드는데 사용된다. 테스트중인 장치에 대향하는 견본실 (308) 의 단부에, e-빔 칼럼 (320) 이 존재한다. 아래에 설명하는 바와 같이, e-빔 칼럼은 장치의 내부 네트들의 전압을 모니터하기 위해 테스트 중인 장치에 집중되는 전자빔을 발생시킨다. e-빔 칼럼 (320) 과 이온 펌프들 (310, 320) 을 XY 스테이지 (322) 에 설치한다. XY 스테이지 (322) 는 e-빔에 의해 생성된 전자 빔을 테스트중인 장치의 내부 네트에 부정확하게 정렬시킨다.At the bottom of the
도 4 는 e-빔 칼럼 (320) 의 부가적인 세부사항을 나타내는 블록도이다. e-빔 칼럼 (320) 은 필라멘트 (402) 를 포함한다. 필라멘트 (402) 는 e-빔을 생성하는데 사용되는 전자들을 발생시킨다. 필라멘트 (402) 에 의해 방출되는 전자들은 정전 렌즈 (404) 에 의해 테스트중인 장치 (102) 쪽으로 가속화된다. 전자들이 정전 렌즈 (404) 를 통과한 이후에, 그 전자들은 컨덴서 렌즈 (408) 에 의해 빔으로 집중된다. 컨덴서 렌즈 (408) 를 통과한 전자 빔은 견본실내의 진공상태를 거쳐 테스트중인 장치 (102) 를 향하여 이동한다.4 is a block diagram illustrating additional details of the
전자 빔이 테스트중인 장치 (102) 에 접근하는 경우에, 그 전자 빔은 대물 렌즈 (410) 를 통과한다. 대물 렌즈 (410) 는 그 전자 빔을 테스트중인 장치 (102) 의 소망의 내부 네트로 향하는 1 차 전자 빔으로 집중시킨다. 1 차 전자 빔은 테스트중인 장치 (102) 의 내부 네트와 상호작용하며, 2 차 전자들은 견본실로 다시 방출된다.When the electron beam approaches the
컨덴서 렌즈 (408) 와 대물 렌즈 (410) 사이에 검출기 (420) 가 배치된다. 검출기 (420) 는 신틸레이터 (422) 를 구비한다. 신틸레이터 (422) 는, 2 차 전자들이 그 표면에 충돌할 때, 2 차 전자들의 에너지에 비례하여 광자를 방출한다. 신틸레이터 (422) 에 의해 방출되는 광자들은 PMT (photomultiplier tube)(424) 로 전송된다. PMT (424) 는 그 표면에 충돌하는 광자들의 개수에 비례하여 전압을 발생시키도록 구성되어 있다. 따라서, PMT (424) 출력 전압은 테스트중인 장치의 내부 네트에 의해 방출되는 2 차 전자들의 에너지에 비례한다. 따라서, PMT (424) 출력 전압은 신호를 증폭시키고 컨디셔닝하는 증폭기 (426) 로 전송된다. 증폭기 (426) 신호 출력을, 이것을 처리하는 워크스테이션 (300) 으로 라우팅하여, 이를 오퍼레이터에게 디스플레이한다.The
상술한 바와 같이, 디스플레이된 영상은 장치내의 도체들 즉, 네트들의 표면의 전기 전위로 인한 2 차 빔의 세기 변화를 나타내는 영상이다. 예를 들어, 양의 전압들은 낮은 2 차 전자 카운트에 대응하여, 영상에서 어두운 영역으로 나타날 수 있다. 제로 즉, 음 전압들은 높은 2 차 전자 카운트에 대응하여, 영상에서 밝은 영역으로 나타날 수 있다.As described above, the displayed image is an image showing the change in intensity of the secondary beam due to the electrical potential of the surface of the conductors, ie the nets, in the device. For example, positive voltages may appear as dark areas in the image, corresponding to a low secondary electron count. Zero, that is, negative voltages may appear as bright areas in the image, corresponding to high secondary electron counts.
상술된 테스트 셋업은 불량의 혼합 신호 장치를 테스트하는데 사용된다. e-빔 프로브를 사용한 백-트레이스 기술들을 이용함으로써, 디지털 데이터 입력에 사용되는 개별 8-비트 라이트 (right) 시프트 레지스터에 있어서 장치 불량이 적어진다. 부가적인 테스트에 의해, 상기 8 비트 레지스터로부터의 데이터 신호들을 사전할당된 IC 코드들과 일치시키는데 실패하였음을 알 수 있다. 8 비트 레지스터로부터의 신호들의 불량은 장치의 기능 불량의 원인이 되는 것으로 여겨진다.The test setup described above is used to test a defective mixed signal device. By using back-trace techniques using e-beam probes, there is less device failure in the individual 8-bit right shift registers used for digital data input. An additional test shows that the data signals from the 8-bit register failed to match the pre-assigned IC codes. The failure of the signals from the 8 bit register is believed to cause the malfunction of the device.
장치의 불량 메카니즘을 식별하는 것을 돕기 위하여, 레지스터 관련 네트들 모두를 e-빔 프로브를 사용하여 측정하였다. e-빔 프로브 테스트에 의해, 디지털 회로내의 2 개의 위상 클럭 발생기가 불규칙적인 파형들을 생성함을 알 수 있다. 도 5 는 통상의 2 개의 위상 클럭 발생기와 테스트중인 클럭 발생기의 출력 파형들을 나타내는 그래프이다. 트레이스들 (510, 512) 은 공지된 양호한 장치로부터 충분한 클럭 발생기 출력 신호들을 나타낸다. 트레이스들 (520, 522) 은 테스트중인 클럭 발생기의 출력 신호들을 나타낸다. 트레이스 (522) 는 불규칙적이며, 예상했던 방형파 형상보다는 오히려 삼각형에 가깝다.To help identify the failure mechanism of the device, all register related nets were measured using an e-beam probe. By the e-beam probe test, it can be seen that two phase clock generators in the digital circuit produce irregular waveforms. 5 is a graph showing output waveforms of a conventional two phase clock generator and a clock generator under test.
클럭 발생기의 모든 내부 네트들의 부가적인 e-빔 프로빙은 불량의 클럭 발생기의 출력 인버터 (버퍼) 에 불량을 집중시킨다.Additional e-beam probing of all internal nets of the clock generator concentrates the defect on the output inverter (buffer) of the defective clock generator.
불량의 출력 인버터를 발생가능한 불량으로서 식별한 이후에, 출력 인버터의 네트들을 국부적으로 스트레싱 하였다. 이 예에서 사용되는 네트들을 국부적으로 스트레싱 하는데 사용되는 기술들은 e-빔내의 전류를 증가시키는 기술과 e-빔의 전자 플럭스를 증가시키는 기술을 포함한다. 혼합 신호 장치의 테스트 동안에, 테스트 스테이션 (300) 은 네트를 모니터하기 위해 대략 1nAmp 로부터, 네트를 스트레싱하기 위해 약 50 nAmps 로 e-빔의 전류를 증가시키도록 동작하였다. 또한, e-빔 칼럼 (320) 의 대물 렌즈 (410) 를 통해 더 크게 확대된 e-빔은 네트의 작은 영역에 e-빔을 집중시키는데 사용되므로, 전자 플럭스가 증가한다.After identifying the defective output inverter as a possible failure, the nets of the output inverter were locally strained. Techniques used to locally strain the nets used in this example include techniques for increasing the current in the e-beam and techniques for increasing the electron flux of the e-beam. During the testing of the mixed signal device, the
트레이스들 (530, 532) 은 국부적으로 열 스트레스를 받는 동안의 클럭 발생기 출력 신호들을 나타낸다. 트레이스들 (530, 532) 에 의해 나타낸 바와 같이, 열적으로 스트레싱 되었을 때, 더 이상 발진하지 않고, 클럭 발생기 출력이 심하게 왜곡되었음을 알 수 있다.
불량 인버터의 출력 네트의 높은 비어 저항을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 e-빔 프로브로 측정되는 삼각형 트레이스 (522) 에 유사한 신호를 생성한다. 추가적인 시뮬레이션은 비어 저항을 매우 높은 값으로 증가시키고, 트레이스 (530, 532) 들에 유사한 인버터 출력은 스위칭을 정지시킨다. 트레이스들 (530, 532) 이 네트가 열 스트레스를 받는 경우에 행해지기 때문에, 열 스트레스가 네트 저항을 매우 높은 값으로 증가시킴을 알 수 있었다.The simulation was performed using the high via resistance of the output net of the faulty inverter. The simulation produces a signal similar to
도 6 은 불량 네트 주변의 장치 부분에 대한 삽화이다. 네트는 2 개의 비어 (601, 602) 를 포함한다. 비어들이 높은 저항의 원인임을 알 수 있다.6 is an illustration of the portion of the device around the bad net. The net includes two
그 후에, FIB (focused ion beam) 기술을 이용하여 불량으로 의심되는 비어들 (601, 602) 양단에 본딩 패드들을 배치하였다. 비어 양단의 저항이 매우 높음을 알 수 있었다. 부가적인 불량 분석을 SEM (scanning electron microscope) 을 사용하여 수행하였으며, 불량으로 의심되는 비어들 (601, 602) 중 하나를 불량 비어로서 식별하였다. 도 7 은 불량으로 의심되는 비어의 SEM 사진이다. 도 7 은 텅스텐 층 아래의 Al-합금에 약 0.2㎛의 보이드 (702) 를 나타낸다. Thereafter, bonding pads were placed across the
TEM (tunneling electron microscope) 을 이용하여 불량으로 의심되는 비어에 대하여 추가적인 불량 분석을 수행하였다. 도 8 은 텅스텐-금속 인터페이스 부근에 있는 불량으로 의심되는 비어의 TEM 사진이다. 도 8 은 텅스텐 플러그 하부의 Ti/TiN 점착층 아래에 있는 약 150 옹스트롬의 매우 얇은 이상층 (802) 을 나타낸다. 제조 공정 동안에, 그 이상층은 비어 에칭 이후의 비어 클리닝 공정 동안에 DI (de-ionized) 용액 소모에 의해 생성된 산화알루미늄임을 알 수 있었다.Further failure analysis was performed on vias suspected of failure using a tunneling electron microscope (TEM). 8 is a TEM photograph of a via suspected of a failure near the tungsten-metal interface. 8 shows a very thin
불량한 텅스텐-금속 인터페이스는 비어 디래미네이션 (delamination) 을 발생시키며, 국부화된 열 스트레스를 개선시킨다. 또한, 불량한 텅스텐-금속 인터페이스는 높은 온도 처리들 또는 국부적인 전기 열 스트레싱 동안에 텅스텐 플러그 하부의 AlCu 합금에 보이드들을 형성하는 것을 가속화 할 수 있다. 텅스텐층 하부의 Al-합금에 보이드들을 형성하는 것은 텅스텐-AlCu 인터페이스에서의 Al 플럭스의 불연속성에 의해 설명된다. 예를 들어, 열 영역으로부터 벗어나는 Al 플럭스는 전자 이동 동안에 텅스텐 플러그로부터 보상되지 않을 수 있다.Poor tungsten-metal interface results in via delamination and improves localized thermal stress. In addition, a poor tungsten-metal interface can accelerate the formation of voids in the AlCu alloy under the tungsten plug during high temperature treatments or local electrical thermal stressing. Forming voids in the Al-alloy under the tungsten layer is explained by the discontinuity of the Al flux at the tungsten-AlCu interface. For example, Al flux deviating from the thermal region may not be compensated from the tungsten plug during electron transfer.
텅스텐-AlCu 인터페이스의 보이드 및 이상 박층은 텅스텐-AlCu 상호접속 시스템들에서 크게 감소될 수 있다. 이러한 감소는 애플리케이션 환경 또는 임의의 테스트 동안에 영향 받은 상호 접속부들에서의 전기 열 스트레스의 량 및 감소의 정도에 의존하여, 영구적인 장치 불량 또는 간헐적인 기능 불량 중 어느 하나를 야기할 수 있다. 특히 현재의 반도체 처리 기술들에 대하여, 텅스텐-AlCu 상호접속 시스템은, VLSI 장치들에서 하나의 중요한 신뢰성 문제를 가진다.The voids and abnormal thin layers of the tungsten-AlCu interface can be greatly reduced in tungsten-AlCu interconnect systems. This reduction may cause either permanent device failure or intermittent malfunction, depending on the amount of electrical thermal stress and the amount of reduction in the interconnects affected during the application environment or any test. Especially for current semiconductor processing technologies, tungsten-AlCu interconnect system has one important reliability problem in VLSI devices.
상기 예에 기재된 테스트중인 장치에 있어서, DI 용액 소모를 감소시키고, 텅스텐-AlCu 상호접속 시스템들에서 보이드를 유도하는 열 스트레스를 최소화하기 위하여, 제조자에 의해 새로운 비어 클리닝 처리들을 구현하였다. 처리시에 변경되는 비어 상호접속부의 신뢰성을 개선하였다. 지금까지, 유사한 간헐적인 장치 불량은 관찰되지 않았다. 따라서, 상기 기술은 혼합 신호 장치에서 불량 소스를 성공적으로 식별하고, 분리된 회로 스트레스와 네트 모니터링의 결과에 따라 적절한 교정 동작을 개시할 수 있다.In the device under test described in the above example, new via cleaning treatments were implemented by the manufacturer in order to reduce DI solution consumption and to minimize thermal stress inducing voids in tungsten-AlCu interconnect systems. Improved reliability of via interconnects changed during processing. To date, no similar intermittent device failures have been observed. Thus, the technique can successfully identify faulty sources in a mixed signal device and initiate appropriate corrective action based on the results of separate circuit stress and net monitoring.
전술한 설명은 본 발명의 임의의 실시예들을 상술한다. 그러나, 전술한 설명을 세부적으로 나타낼지라도, 본 발명이 그 사상 또는 본질적인 특성들을 이탈하지 않고 다른 특정 형태들로 구현될 수 있음을 알 수 있다. 상술된 실시예들이 모든 점에 있어서 단지 예시적이며 제한적이지 않으므로, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 오히려 첨부된 청구 범위에 의해 나타난다. 청구범위와 균등한 의미 및 범위에 부합하는 모든 변경들은 본 발명의 범위내에 포함된다.The foregoing description details certain embodiments of the invention. However, although detailed description above, it can be seen that the present invention can be implemented in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics. Since the above-described embodiments are merely illustrative in all respects and not restrictive, the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.
도 1 은 본 발명에 따라 구성된 시스템의 특성들을 나타내는, 테스트 중인 장치 및 테스트 장치의 일부에 대한 다이어그램이다.1 is a diagram of a device under test and a portion of a test device showing characteristics of a system constructed in accordance with the present invention.
도 2 는 백-트레이스 (back-trace) 를 나타내는 견본 회로에 대한 개략도이다.2 is a schematic diagram of a sample circuit showing a back-trace.
도 3 은 본 발명에 따라 사용되는 테스트 스테이션에 대한 블록도이다.3 is a block diagram of a test station used in accordance with the present invention.
도 4 는 e-빔 칼럼의 부가적인 세부사항을 나타내는 블록도이다.4 is a block diagram illustrating additional details of an e-beam column.
도 5 는 통상의 2 개의 위상 클록 발생기 및 테스트 중인 클록 발생기의 출력 파형들을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the output waveforms of a conventional two phase clock generator and a clock generator under test.
도 6 은 불량 네트 주변의 장치의 일부에 대한 삽화(artwork)이다.6 is an illustration of a portion of a device around a bad net.
도 7 은 불량으로 의심되는 비어(via)의 SEM (scanning electron microscope) 사진이다.7 is a scanning electron microscope (SEM) picture of vias suspected of defective.
도 8 은 텅스텐-금속 인터페이스 부근에서 불량으로 의심되는 비어의 TEM (tunneling electron microscope) 사진이다.FIG. 8 is a TEM (tunneling electron microscope) photograph of a via suspected to be defective near the tungsten-metal interface.
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